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沪科版高中物理选修（3－5）第3章3.3《量子论视野下的原子模型》课件

上传时间: 2014-08-17

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3．3　量子论视野下的原子模型

核心要点突破

课堂互动讲练

课前自主学案

知能优化训练

3．3

课标定位

学习目标：1.了解玻尔原子模型及能级的概念．

2．理解原子发射和吸收光子的频率与能级差的关系．

3．知道玻尔对氢光谱的解释以及玻尔理论的局限性．

重点难点：理解玻尔理论的基本假设；电子的跃迁及能级辐射

一、把量子论引入原子模型

玻尔理论的主要假设

1．定态假设：原子只能处于一系列______的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，这种状态叫____．处于定态的原子并不对外辐射能量，只有当原子在两个定态之间跃迁时，才产生电磁辐射．

不连续

定态

2．跃迁假设：原子从能量为Em的定态跃迁到能量为En的定态时，___________一定频率的光子，光子的能量由两个定态的______决定，即hν＝Em－En.

辐射(或吸收)

能量差

二、能级　原子光谱

1．能级：原子在各定态的______叫做原子的能级．

2．基态和激发态：在正常状态下，原子处于能级最低的状态，这时电子在离核最近的轨道上运动，这一定态叫做____．电子在其他轨道上运动时的定态叫做______．

能量值

基态

激发态

3．氢原子能级图

氢原子的能级图如图3－3－1所示．

图3－3－1

4．原子光谱：原子吸收或辐射的能量____发生在相应跃迁的两个能级的能量差．由于原子的能级是不连续的，所以辐射或吸收的光子的能量也是______的．从光谱上看，原子辐射光波的频率只有若干____的值．理论计算跟实验观察的结果符合得很好，而且还预言了一些新的谱线．

等于

不连续

分立

思考感悟

氢原子从高能级向低能级跃迁时，是不是氢原子所处的能级越高，释放的光子能量越大？

提示：不一定．氢原子从高能级向低能级跃迁时，释放的光子的能量一定等于能级差，氢原子所处的能级越高，跃迁时能级差不一定大，释放光子的能量不一定大．

三、玻尔理论的成就和局限

玻尔理论成功地解释了氢原子发光，他的成功之处在于引入了____观念．而对更复杂的原子发光，玻尔理论却无法解释，它的不足之处在于过多地保留了__________．

量子

轨道的概念

量子力学表明，原子中的电子运动并没有确定的轨道，玻尔原子理论中的电子轨道正是电子出现____最大的地方，如果用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，画出图来就像云雾一样，人们把它叫做______．

概率

电子云

一、对玻尔原子模型的理解

1．轨道量子化：轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值．

模型中保留了卢瑟福的核式结构．但他认为核外电子的轨道是不连续的，它们只能在某些可能的、分立的轨道上运动，而不是像行星或卫星那样，能量大小可以是任意的量值．例如，氢原子的电子最小轨道半径为r1＝0.053 nm，其余可能的轨道半径还有0.212 nm、0.477 nm、…不可能出现介于这些轨道之间的其他值．这样的轨道形式称为轨道量子化．

2．能量量子化：与轨道量子化对应的能量不连续的现象．

电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态．

由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的．这样的能量形式称为能量量子化．

3．跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即高能级

可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上．玻尔将这种现象叫做电子的跃迁．

特别提醒：(1)处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的．

(2)原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

1．根据玻尔理论，下列说法正确的是(　　)

A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波

B．处于定态的原子，其电子做加速运动，但它并不向外辐射能量

C．原子内电子的可能轨道是不连续的

D．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差

解析：选BCD.根据玻尔理论的三个要点判断得出．

二、原子的能级跃迁问题

跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子从一个能量状态(定态)跃迁到另一个能量状态(定态)．

1．跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量的变化

当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小．反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．

2．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子

(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n能级的问题．

(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子发生能级跃迁．

特别提醒：(1)一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时，可能的情况只有一种，但大量的氢原子就会出现多种情况．

(2)使处于基态或激发态的原子的核外电子跃迁到n＝∞时，称为电离，所需能量称为电离能．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

2．一个氢原子中的电子从一半径为ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为rb的轨道，已知ra>rb，则在此过程中(　　)

A．原子发出一系列频率的光子

B．原子要吸收一系列频率的光子

C．原子要吸收某一频率的光子

D．原子要辐射某一频率的光子

解析：选D.因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子；因此可排除B、C.“直接”从一能级跃迁至另一能级，只对应某一能级差，故只能发出某一频率的光子．

玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有(　　)

A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量

B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的

C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子

D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率

【思路点拨】　熟记玻尔理论的基本假设是解本题的关键．

【精讲精析】　玻尔理论的基本假设是：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中能量是稳定的，电子虽然做变速运动，但并不向外辐射能量；原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定；

原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，由于原子的能量状态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运行．其中原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，这是经典理论与量子化概念的结合．故A、B、C选项都正确，D选项错误．

【答案】　ABC

处于基态的氢原子在某单色光束照射下，只能发出频率分别为ν1、ν2、ν3的三种光，且ν1＜ν2＜ν3，则该照射光的光子能量为(　　)

A．hν1　　　　　　　B．hν2

C．hν3 D．h(ν1＋ν2＋ν3)

【思路点拨】　应注意到题目所给的为单色光，因此照射光子的频率只有一种．然后，需要考虑跃迁过程：一是基态氢原子吸收一定的光子能量后处于激发态；二是处于激发态的氢原子向外辐射光子．有一个清晰的解题思路是解决本题的前提．

【精讲精析】　处于基态的氢原子要发光，必须先吸收一定的能量E，如果是用光照射来提供这个能量，则E＝hν.由于激发态能量较高，原子不稳定，停驻短暂时间后，就会向低能态跃迁，从而发出一系列频率的光子，但这些光子的频率不会大于ν，且必有一个频率等于ν.

由题设知，该氢原子受激后只能发出频率为ν1、ν2、ν3的三种光，且ν1＜ν2＜ν3，即最高频率是ν3，能级跃迁如图3－3－2所示，那么照射光的频率必定是ν3，光子的能量是E＝hν3，故本题正确选项为C.

图3－3－2

【答案】　C

【误区警示】　由题意判定是直接跃迁还是间接跃迁，然后画出能级图进行分析．

氢原子的能量级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能．氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时(　　)

A．氢原子的能减少，电子的动能增加

B．氢原子的能增加，电子的动能增加

C．氢原子的能减少，电子的动能减少

D．氢原子的能增加，电子的动能减少

【自主解答】　氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，氢原子放出光子，氢原子的能量减小，核外电子所受力做正功，其动能增加，故A正确．

【答案】　A

【规律总结】　原子在跃迁过程遵循能量守恒定律．

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